NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN cân BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH

`




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




NGÔ THỊ CHÂM






NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH





Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT








Thái Nguyên, 2014
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN



Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công



Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Trung Hải
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ






Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 16 h 00’ ngày 22 tháng 8 năm 2014.





Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu về robot tự động (Autonomous robot) là một
lĩnh vực nghiên cứu đang được phát triển mạnh trong những năm gần
đây. Một trong những khó khăn nhất của vấn đề nghiên cứu robot tự
động là khả năng duy trì cân bằng ổn định trong những địa hình khác
nhau. Để giải quyết vấn đề này, các robot hầu hết có bánh xe rộng
hoặc tối thiểu là ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để duy trì sự cân
bằng. Tuy nhiên tăng kích thước hoặc số lượng bánh xe sẽ làm giảm
hiệu quả của hệ thống điều khiển do tăng trọng lượng xe, tăng ma sát
hoặc tăng lực kéo và tăng tổn hao năng lượng. Robot hai bánh tự cân
bằng là một hướng nghiên cứu sẽ giải quyết được nhược điểm. Bởi
robot hai bánh tự cân bằng chỉ sử dụng hai bánh xe nên giảm được cả
trọng lượng và chiều rộng không gian. Tuy nhiên vấn đề khó khăn
cho robot là làm cách nào để robot có thể tự cân bằng trong những
điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo có thể

thay đổi.
Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm một mô hình
robot hai bánh trước sau tự cân bằng, trong luận văn này tác giả sẽ
tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai
bánh trước sau tự cân bằng sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu
là robot có thể cân bằng khi đứng yên và chuyển động thẳng cùng
với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu và áp dụng thuật
toán điều khiển thích hợp.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Từ
nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình

2

robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng
trong giao thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân
bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe
hai bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị
văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân
bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó,
nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính khoa học và thực
tiễn rất lớn.

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

1.1. Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng
1.2. Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên

thế giới
1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng
1.2.1.1 Một số robot hai bánh song song tự cân bằng trên thế giới
1.2.1.1.1 nBot
1.2.1.1.2 Balance Bot I
1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot)
1.2.1.1.4 JOE
1.2.1.1.5 Equibot
1.2.1.1.6 BaliBot
1.2.1.1.7 Bender
1.2.1.1.8 Robot phục vụ con người Rolling của hàng TOYOTA
1.2.1.2 Một số loại xe hai bánh trước sau tự cân bằng
1.2.1.2.1 Segway
1.2.1.2.2 Balancing Scooter
1.2.1.2.3. Spider
1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên
thế giới
1.2.2.1 Điều khiển cân bằng bằng cách điều khiển tay lái dựa trên
nguyên tắc của lực ly tâm
Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh bằng
cách điều khiển tay lái dựa trên nguyên tắc của lực ly tâm được mô tả
trong các tài liệu tham khảo [4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24, 25]. Bảng sau
thể hiện các kết quả nghiên cứu mà các nghiên cứu này đạt được.

4

1.2.2.2 Điều khiển cân bằng nhờ thay đổi tâm trọng lực
Các phương pháp điều khiển cân bằng nhờ điều chỉnh tâm
trọng lực được chỉ ra trong nghiên cứu [20] và [26].
1.2.2.3 Điều khiển cân bằng sử dụng bánh đà

Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh sử
dụng bánh đà được chỉ ra trong các nghiên cứu [1, 2, 3, 5, 19, 22,
23].
1.2.2.4. Điều khiển kết hợp
Trong một số nghiên cứu gần đây thì xuất hiện các đề xuất
và mô hình kết hợp các phương pháp trên trong cùng một robot, cụ
thể là sự kết hợp giữa phương pháp thay đổi trọng tâm trọng lực và
phương pháp bánh đà hoặc phương pháp dùng lực ly tâm.
1.2.3 Các nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng trong nước
Robot hai bánh trước sau tự cân bằng hiện chưa được nghiên
cứu nhiều ở trong nước, hiện nay chỉ có nghiên của của tác giả
Thanh [3-4].
Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng hệ thống cân bằng
theo nguyên lý con quay hồi chuyển, với một bánh đà được đặt nằm
ngang và được quay với một tốc độ quay ổn định bởi một động cơ
một chiều, một động cơ một chiều khác điều khiển quay trục của
bánh đà theo chiều thuận và ngược tùy theo hướng nghiên của robot.
Kết quả của nghiên cứu đã xây dựng được mô hình robot hai bánh
tuy nhiên độ ổn định của mô hình chưa cao.
1.3. Kết luận chương 1
Nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng là một hướng
nghiên cứu đang phát triển rất mạnh. Robot hai bánh có thể sử dụng
thay con người trong thăm dò, … Hoặc phát triển mô hình robot hai

5

bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao
thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả
khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai
bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng

ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp
trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó, nghiên
cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính ứng dụng rất lớn.
Qua phân tích các mô hình robot hai bánh tự cân bằng tác giả
nhận thấy, robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển
dùng lực ly tâm không thể điều khiển cân bằng cho hệ thống khi nó
đứng yên. Robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển
trọng tâm trọng lực cần phải thêm trọng lượng lên hệ thống làm tăng
trọng lượng của nó. Robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp
điều khiển sử dụng bánh đà và điều khiển kết hợp khắc phục được cả
hai nhược điểm nêu trên. Do đó phương pháp điều khiển cân bằng sử
dụng nguyên lý con quay hồi chuyển là phù hợp nhất cho robot hai
bánh trước sau tự cân bằng. Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử
nghiệm một mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, tác giả sẽ
tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai
bánh trước sau tự cân bằng sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu
là robot có thể cân bằng khi đứng yên và chuyển động thẳng cùng
với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu và áp dụng thuật
toán điều khiển thích hợp.

6

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
2.1 Giới thiệu
Nguyên lý cân bằng: Mô hình robot hai bánh được xây dựng dựa
trên định luật bảo toàn động lượng có cơ sở là: Nếu không có một
mô men xoắn (mô men lực) bên ngoài nào tác động lên một đối
tượng hay hệ thống (hoặc tổng mô men xoắn - mô men lực) tác động
vào một đối tượng bằng không) thì tổng mômen động lượng của đối

tượng đó sẽ được bảo toàn. Robot hai bánh tự cân bằng trang bị một
bánh đà và sử dụng bánh đã để duy trì cân bằng của robot. Một động
cơ tạo ra mô men xoắn cho bánh đà và do đó gây ra một mô mem
xoắn tương ứng tác động lên robot theo chiều ngược lại mô men này
dùng để cân bằng với mômen do trọng lực của robot tạo ra. Để điều
khiển gia tốc của bành đà, ta sử dụng một động cơ một chiều DC với
điện áp đặt lên động cơ là U, khi này ta đưa bài toán điều khiển cân
bằng robot về bài toán điều khiển góc nghiêng của robot  (đầu ra)
bằng cách điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động cơ DC.
Nhiệm vụ đặt ra là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot
cân bằng tức là giữ cho góc  (đầu ra) bằng không
2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân bằng
2.2.1 Thiết kế phần cơ khí
Kích thước robot như sau:

Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân bằng

7

2.2.1.1 Cơ cấu cân bằng
Tác giả thiết kế cơ cấu cân bằng bao gồm: Động cơ một
chiều tạo mô men cho hệ thống, bánh đà với mô men quán tính lớn.
Khung đỡ động cơ và bánh đà. Động cơ truyền mô men qua bánh đà
thông qua một bạc nối với tỉ số chuyền i = 1.
Kích thước của bánh đà
- Đường kính ngoài D
n
= 26 cm = 0,26 m
- Đường kính trong D
t

= 22 cm = 0,22 m
- Bề dầy vành bánh đà t
n
= 2,1 cm = 0,021 m
- Bề dầy phần trong bánh đà t
t
= 0,5 cm = 0,005 m
Mômen quán tính của bánh đà
- Mômen quán tính của bánh đà là:


2 2
2
n t
t
n t
D D
D
1 1
I m m
2 4 2 4

 
= 0,03289 kg.m
2

Lựa chọn động cơ một chiều DC: có thông số như sau:
Bảng 2.1 Thông số động cơ điện một chiều
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 P

100 W
2 U
đm
15 V
5 R 0,41

6 Tỷ số truyền

1:1
7 K
e
0,119 V.s/rad
8 K
m
0,1184 N.m/A
9

3400 Vòng/phút
10 L 0,0006 H



8

2.2.1.2 Cảm biến góc nghiêng
Tác giả sử dụng cảm biến góc gia tốc GY-521 MPU-6050 có
thông số kỹ thuật như sau:
MPU-6050 module (3 trục góc + 3 trục gia tốc )
Chip : MPU-6050; Nguồn cấp : 3-5V

Chuẩn giao tiếp: I
2
C
Chip 16bit AD converter, 16-bit data Output
Độ phân giải vận tốc góc (): ± 250 500 1000 2000
°/s_tương đương 1°/s = 1.3,14/180 rad/s
Độ phân giải gia tốc góc : ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g (g= 9,81 m/s
2
là
gia tốc trọng trường)
Chuẩn giắc cắm 2.54mm

Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050
2.2.1.3 Cảm biến tốc độ
2.2.1.4 Hệ thống điều khiển tiến lùi
2.2.2 Thiết kế phần điện
Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng gồm hai hệ thống
- Hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng: Có
chức năng duy trì robot cân bằng: là hệ thống có 2 đầu vào là góc
nghiêng và vận tốc góc nghiêng của robot lấy từ cảm biến góc
nghiêng và 1 đầu vào lấy từ cảm biến tốc độ của bánh đà. Đầu ra của
hệ thống là duy trì góc nghiêng của bánh đà bằng 0.

9

- Hệ thống điều khiển robot chạy tiến lùi: Có chức năng điều khiển
robot chạy tiến lùi
2.2.2.1 Hệ thống điều khiển cân bằng robot
2.2.2.1.1. Vi mạch điều khiển

Hình 2.10 Mạch Arduino
Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của
Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560.
Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển
phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM,
RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có
khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các
chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
Sức mạnh xử lý
Xung nhịp: 16MHz
EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560)
SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)
Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)
2.2.2.1.2 Mạch cầu H
2.2.2.1.3. Nguồn cấp
2.2.2.2 Hệ thống điều khiển tiến lùi


10

Hình ảnh hoàn thiện của robot:

Hình 2.14 Mô hình hoàn thiệu của robot hai bánh tự cân bằng
2.3 Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng
Xét mô hình robot hai bánh như sau

Hình 2.15 Sơ đồ đơn giản của hệ thống cân bằng robot
Các ký hiệu trên sơ đồ
m là trọng lượng của robot kể cả bánh đà
h là chiều cao của tâm trọng lực của robot ( kể bánh đà)

I là mô men quán tính của bánh đà
 là góc nghiêng của robot so với phương thẳng đứng
 là góc quay của bánh đà
Hệ phương trình mô tả hệ thống cân bằng robot như sau:


2
mh I I mgh.sin 0
  
   


(2.5)
e
di
U L Ri K
dt

  

(2.8)

11

m m
I I T aK i
 
  



(2.9)
Tuyến tính hóa phương trình (2.5) và (2.6) quanh điểm cân
bằng (==0, sin=) ta thu được hệ phương trình sau:


2
mh I I mgh. 0
  
   


(2.10)
m m
I I T aK i
 
  


(2.11)
e
di
U L Ri K
dt

  

(2.12)
Đặt
1
2

3
4
x
x
x
x
i x




 
 

 

 

 

 


là biến trạng thái, y =

là tín hiệu đầu ra, u = U là
tín hiệu đầu vào.
Từ đây ta có hệ phương trình trạng thái mô tả hệ như sau:
x Ax Bu
y Cx Du

 
 

(2.13)
Với thông số của hệ như sau:
 
m
2
2
m
2
e
0 1 0 0
aKg
0 0
h mh
A
mh I
g
0 0 aK
h
mIh
K R
0 0
L L
 
 
 

 

 


 

 
 
 
 
 
 
;
0
0
B
0
1
L
 
 
 

 
 
 
 
;


C 1 0 0 0


;


D 0


Bảng các thông số của robot như sau
Bảng 2.2 Thông số của robot
Thông số Giá trị Đơn vị
Mô men quán tính của bánh đà (I) 0,03289 Kg.m
2
Chiều cao của trọng tâm bánh đà
(h)
0,22 m
Khối lượng của robot gồm cả bánh
đà
10 Kg

12

Hằng số sức điện động của động
cơ (K
e
)
0,119 V.s
Hằng số mômen của động cơ (K
m
) 0,1184 Nm/A
Điện trở động cơ (R) 0,41


Điện cảm động cơ 0,0006 mH
Tỷ số truyền của động cơ (a) 1:1
Gia tốc rơi tự do (g) 9,81 m/s
2

Thay số vào công thức (2.13) và chuyển sang dạng mô hình
hàm truyền ta thu được hàm truyền đạt như sau:
4 3 2
(s) 4887
W(s) =
U(s)
s 683.3s 1208s 109700s 6949


   
(2.14)
Đáp ứng xung của mô hình robot như sau
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10
27
Step Response
Time (sec)
Amplitude

Hình 2.16. Đáp ứng xung của mô hình hàm truyền robot

13

CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ -MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM THỰC HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ CÂN BẰNG

3.1 Giới thiệu
3.2 Một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ
thuật không gian trạng thái
3.2.1 Thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực
3.2.2 Phương thức so sánh trực tiếp
3.2.3 Phương thức dạng kinh điển điều khiển được
3.2.4 Công thức Ackermann
3.2.5 Thiết kế theo tiêu chuẩn chất lượng
3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều
khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng
Ở chương 2 ta đã thu được mô hình toán học của hệ thống
cân bằng robot có dạng sau:
x Ax Bu
y Cx Du
 
 

(3.10)
Với các thông số của hệ
715.7 23 4.256 1.813 0.07857 0.01369
1024 0 0 0 0 0

0 64 0 0 0 0
A
0 0 32 0 0 0
0 0 0 4 0 0
0 0 0 0 0.25 0
     
 
 
 
 

 
 
 
 
 

64
0
0
B
0
0
0
 
 
 
 

 

 
 
 
 
;


C 19.92 13.27 0.1228 1.013 0.04536 0.008129



14

Mô hình hàm truyền của hệ có dạng
4 3 2
(s) 4887
W(s) =
U(s)
s 683.3s 1208s 109700s 6949


   
(3.11)
Điểm cực của hệ thống cân bằng robot là
s
1
= - 6.8174
s
2
= - 0.2671

s
3
= - 0.0354 + 0.1392i
s
4
= - 0.0354 - 0.1392i
Hệ thống có một điểm cực mang giá trị dương, nên hệ thống cân
bằng robot là hệ không ổn định.
Ví trí mong muốn của điểm cực vòng kín có dạng

1
= -25.3

2
= -12.45

3
= -10.23

4
= -1.5156
Phương trình đặc trưng vòng kín là
(sI-A + BK) = (s - 
1
)(s - 
2
)(s - 
3
) (s - 
4

)
= s
4
+ 
3
s
3
+ 
2
s
2
+
1
s + 
0

Với 
3
= 49.5

2
= 773.9

1
= 4285

0
= 4884
Gán điểm cực theo công thức Ackermann.
K = [ 0 0 1].M

-1
.(A)
Trong đó: M là ma trận khả năng điều khiển của hệ thống cân bằng
robot

15

8
0 0 0.0047 -3.1749
0 0 -0.0004 0.2980
M 10 .
0 0 0 -0.0280
0 0 0 0
 
 
 

 
 
 

rank(M) = 3
(A) =A
4
+ 
3
A
3
+ 
2

A
2
+ 
1
A + 
0
I =
11
2.0110 0.0483 0.0790 -0.0050
-0.1888 -0.0045 -0.0074 0.0005
10 .
0.0177 0.0004 0.0007 -0.0000
-0.0000 -0.0000 -0.0000 0.0000
 
 
 
 
 
 
 

Kết quả ta được: K =[-633.8044 -6.7830 -25.7361 2.8888]
Kết quả tính toán được thể hiện ở phụ lục 1 (MophongDKRB.m)
Mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot sử dụng phản
hồi trạng thái

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân
bằng robot sử dụng phản hồi trạng thái
Kết quả mô phỏng

16

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Step Response
Time (sec )
Amplitude

Hình 3.3 : Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot
trên Matlab – Simulink
Nhận xét: Hệ thống điều khiển cân bằng robot theo kỹ thuật không
gian trạng thái có chất lượng như sau: sai lệch tĩnh bằng 0 (S
t
% = 0),
không có quá điều chỉnh, thời gian quá độ 3,5 (s), thời gian đáp ứng
2,7 (s), hệ không dao động
3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng
Tác giả thực hiện điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng
theo kết quả thiết kế ở phần 3.3, kết quả như sau:

Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi không
mang tải

17


Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi có nhiễu


18

Hình 3.6 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi thay đổi
tải lệch tâm
Nhận xét: Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng có khả
năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi
mang tải lệch tâm. Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc
thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái.
3.5. Kết luận chương 3
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot được
thiết kế theo kỹ thuật không gian trạng thái trên Matlab – Simulink
cho chất lượng tốt: hệ không có sai lệch tĩnh, thời gian quá độ nhỏ,
không có quá điều chỉnh.
Áp dụng bộ điều khiển được thiết kế vào mô hình robot hai
bánh tự cân bằng cho kết quả điều khiển thực tốt: robot hai bánh tự
cân bằng có khả năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác
động và cả khi mang tải lệch tâm. Kết quả này chứng minh tính đúng
đắn của việc thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian
trạng thái.

19

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A. Kết luận
Luận văn đã nghiên cứu và giải quyết được những nội dung sau:
1. Nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng là một hướng
nghiên cứu đang phát triển rất mạnh. Robot hai bánh có thể sử dụng
thay con người trong thăm dò, … Hoặc phát triển mô hình robot hai
bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao
thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả
khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai
bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng
ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp
trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó, nghiên
cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính ứng dụng rất lớn.
2. Qua phân tích các mô hình robot hai bánh tự cân bằng tác
giả nhận thấy: mô hình robot sử dụng bánh đà là phù hợp nhất cho
robot hai bánh trước sau tự cân bằng: Mô hình robot này đảm bảo
robot có thể đứng yên cả khi không chuyển động và do không cần sử
dụng đối trọng nên khối lượng robot giảm.
3. Xây dựng mô hình robot hai bánh trước sau dựa trên định
luật bảo toàn động lượng có cơ sở là: Nếu không có một mô men
xoắn (mô men lực) bên ngoài nào tác động lên một đối tượng hay hệ
thống (hoặc tổng mô men xoắn - mô men lực) tác động vào một đối
tượng bằng không) thì tổng mômen động lượng của đối tượng đó sẽ
được bảo toàn. Robot hai bánh tự cân bằng trang bị một bánh đà và
sử dụng bánh đã để duy trì cân bằng của robot. Một động cơ tạo ra
mô men xoắn cho bánh đà và do đó gây ra một mô mem xoắn tương

20

ứng tác động lên robot theo chiều ngược lại mô men này dùng để cân
bằng với mômen do trọng lực của robot tạo ra. Để điều khiển gia tốc
của bành đà, ta sử dụng một động cơ một chiều DC với điện áp đặt
lên động cơ là U, khi này ta đưa bài toán điều khiển cân bằng robot
về bài toán điều khiển góc nghiêng của robot  (đầu ra) bằng cách
điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động cơ DC. Nhiệm vụ đặt ra
là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot cân bằng tức là
giữ cho góc  (đầu ra) bằng không. Một hệ thống điều khiển tiến lùi
cũng được xây dựng trên robot để đảm bảo robot có thể tiến lùi theo
đường thẳng.
4. Hệ thống điều khiển cân bằng robot được thiết kế theo
phương pháp áp đặt điểm cực trong không gian trạng thái cho kết
quả mô phỏng trên Matlab – Simulink tốt : hệ không có sai lệch tĩnh,
thời gian quá độ nhỏ, không có quá điều chỉnh.
5. Kết quả mô phỏng thực trên mô hình robot hai bánh cho
thấy : Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng có khả năng
cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi mang
tải lệch tâm. Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc thiết kế
mô hình cơ khí của robot và thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ
thuật không gian trạng thái.
B. Kiến nghị
1. Cần phải thử nghiệm mô hình robot hai bánh tự cân bằng
trong nhiều điều kiện hơn nữa để kiểm tra khả năng ổn định của hệ
thống điều khiển.
2. Cần phát triển bài toán robot hai bánh tự cân bằng để robot
có thể chuyển động theo nhiều hướng khác nhau ngoài hướng đi
thẳng hiện nay.

21

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Beznos, A.V.; Formalsky, A.M.; et al. (1998). “Control of autonomous
motion of two-wheel bicycle with gyroscopic stabilization” In:
Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics
and Automation, pp. 2670-2675.
[2] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun (2008). “Balancing control
of Bycirobo by PSO-based structure-specified mixed H
2
/H
∞
control.”
International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 5(4), pp.
395-402.
[3] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun, Le Chi Hieu (2009).
“Structure-specified H∞ loop shaping control for balancing of
bicycle robots”: A particle swarm optimization approach.
Innovative Production Machines and System Conference.
[4] Dag Christian Ånnestad, “Autonomous Bicycle: The First Self
Balanced Ride” Master of Science in Engineering Cybernetics,
September 2011
[5] Gallaspy, J.M. (1999). “Gyroscopic stabilization of an unmanned
bicycle” M.Sc Thesis, Auburn University, American.
[6] Getz, N.H. & Marsden, J.E. (1995). “Control for an autonomous
bicycle”. In: Proceedings of the IEEE International Conference
on Robotics and Automation, pp. 1397-1402.
[7] Guo, L.; Liao, Q. & Wei, S. (2006). “Design of fuzzy sliding-mode
controller for bicycle robot nonlinear system”. In: Proceedings of
the IEEE International Conference on Robotics and Biometrics, pp.

176-180.
[8] Ham, W. & and Choi, H. (2006). “Autonomous tracking control and
inverse kinematics of unmanned electric bicycle system”. SICE-
ICASE International Joint Conference, pp. 336-339.
[9] Yavin, Y. (1998). “Navigation and control of the motion of a
riderless bicycle”. Computer Methods in Applied Mechanics
and Engineering, Vol. 160(1-2), pp. 193-202.

22

[10] Yavin, Y. (1999). “Stabilization and control of the motion of an
autonomous bicycle by using a rotor for the tilting moment”.
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,
Vol. 178(3-4), pp. 233-243.
[11] Yavin, Y. (2005). “Point to point and collision avoidance control of
the motion of an autonomous bicycle”. Computers and Mathematics
with Applications. Vol. 50(10-12), pp.1525 – 1542.
[12] Iuchi, K.; Niki, H. & Muratami, T. (2005). “Attitude control of
bicycle motion by steering angle and variable COG control”.
In: Proceedings of the Industrial Electronics Conference, pp.
2065-2070.
[13] Kawaguchi, M. ; Yamakita, M., “Stabilizing of bike robot with
variable configured balancer”, SICE Annual Conference (SICE),
2011 Proceedings of , pp 1057 – 1062 3018-3023. IEEE, (2011)
[14] Keo, L.; Yoshino, K.; Kawaguchi, M.; Yamakita, M., “Experimental
results for stabilizing of a bicycle with a flywheel balancer”,
Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International
Conference on, pp 6150 – 6155
[15] Keo, L. and M. Yamakita, “Controller Design of an Autonomous
Bicycle with Both Steering and Balancer Controls," IEEE Multi-

conference on Systems and Control., pp. 1294-1299, 2009.
[16] Keo, L. and M. Yamakita, “Controlling Balancer and Steering for
Bicycle Stabilization," IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent
Robots and Systems., pp. 4541-4546, 2009.
[17] Keo, L. and M. Yamakita, “Control of an Unmanned Electric
Bicycle with Flywheel Balancer", Transaction of the Japan
Society for Simulation Technology, 2(2010), pp. 32-38.
[18] Keo, L. and M. Yamakita, “Dynamic Model of a Bicycle with a
Balancer and Its Control” Proceedings, Bicycle and Motorcycle
Dynamics 2010, Symposium on the Dynamics and Control of
Single Track Vehicles, 20–22 October 2010, Delft, The Netherlands

23

[19] Lenskii A.V. & Formalskii A.M. (2003). Two-wheel robot-
bicycle with a gyroscopic stabilizer. Journal of Computer and
Systems Sciences International, Vol. 42(3), pp. 482-489.
[20] Lee, S. & Ham, W. (2002). Self-stabilizing strategy in tracking
control of unmanned electric bicycle with mass balance. In:
Proceedigns of the IEEE International Conference on Intelligent
Robots and Systems, pp. 2200-2205.
[21] Noda. Y, Sumioka. T, Yamakita. M, “An application of fast MPC
for bike robot”, SICE Annual Conference (SICE), 2012
Proceedings of, pp 540 - 545
[22] Pom Yuan Lam, Design and Development of a Self-Balancing
Bicycle Using Control Moment Gyro, thesis, 2013
[23] Suprapto, S. (2006). “Development of a gyroscopic unmanned
bicycle” M.Eng Thesis, Asian Institute of Technology, Thailand.
[24] Suryanarayanan, S.; Tomizuka, M. & Weaver, M. (2002). “System
dynamics and control of bicycles at high speeds”. In: Proceedings

of the American Control Conference, pp. 845-850.
[25] Tanaka, Y. & Murakami, T. (2004). “Self sustaining bicycle
robot with steering controller”. In: Proceedings of International
Workshop on Advanced Motion Control, pp. 193-197.
[26] Yamakita, M.; Utano, A. & Sekiguchi, K. (2006).
“Experimental study of automatic control of bicycle with
balancer”. In: Proceedings of the International Conference of
Intelligent Robots and Systems, pp. 5606-5611.
[27] Yizhai Zhang, Jingliang Li, Jingang Yi, and Dezhen Song
“Balance control and analysis of stationary riderless
motorcycles”. Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE
International Conference on, page